Hur nära kan du komma till ett svart hål?

Gasströmmar faller till deras underlag, som kastar sig ner i svarta hål, låsta från universum för evigt. I deras sista ögonblick skickar dessa gasformiga strimlor en sista ljusstråle, några av de ljusaste utsläppen i universum. 

Dessa dödsdyk är för långt borta för att ses direkt, men astronomer har utvecklat en ny teknik för att upptäcka sina panikskrik för hjälp. De använder metoden för att testa vår kunskap om allvar i de mest extrema miljöerna i universum.

I en ny studie såg fysiker på specifika funktioner i det ljuset för att ta reda på det närmaste du kan komma till ett svart hål utan att behöva arbeta hårt för att förhindra katastrof - en tröskel som kallas den innersta stabila cirkulära banan eller ISCO. Forskarna fann att deras metod kan fungera med mer känsliga röntgenteleskop som kommer online. 

Relaterad: 9 idéer om svarta hål som kommer att blåsa ditt sinne

Över vattenfallet

Händelsehorisonten för ett svart hål är den osynliga linjen i sanden över vilken du aldrig kan återvända. När någonting passerar genom händelseshorisonten, till och med ljuset själv, kan det inte längre återvända till universum. Det svarta hålets tyngdkraft är alldeles för stark inom det området.

Utanför ett svart hål är emellertid allt bara dandy. Ett speciellt svart hål kommer att ha en viss massa (var som helst från några gånger solens massa för de mindre i galaxen upp till miljarder gånger tyngre för de verkliga monster som strövar om kosmos), och att kretsa runt det svarta hålet är precis som kretsar om något annat av identisk massa. Tyngdkraften är bara tyngdkraften, och banor är banor.

Faktum är att många saker i universum kretsar runt svarta hål. När dessa dumma äventyrare fastnar i det svarta hålets gravitationskonst, börjar de resan mot slutet. När materialet faller mot det svarta hålet tenderar det att pressas in i ett rakknivtunt band känt som en ackretionsskiva. Den skivan snurrar och snurrar, med värme, friktion och magnetiska och elektriska krafter som slår på den, vilket får materialet att glöda ljust.

När det gäller de mest massiva svarta hålen, glöder tillskottets skivor runt dem så intensivt att de får ett nytt namn: aktiva galaktiska kärnor (AGN), som kan överskrida miljoner individuella galaxer.

I ackretionsskivan gnider enskilda materialbitar upp mot andra bitar, tömmer dem för rotationsenergi och driver dem ständigt inåt till det gapande klippet i det svarta hålets händelseshorisont. Men ändå, om det inte vore för dessa friktionskrafter, skulle materialet kunna kretsa runt det svarta hålet i evighet, på samma sätt som planeterna kan kretsa runt solen i miljarder år.

Ett samtal om hjälp

När du kommer närmare det svarta hålets centrum når du dock en viss punkt där alla förhoppningar om stabilitet ströks mot tyngdkraften. Precis utanför det svarta hålet, men innan de når evenemangshorisonten är gravitationskrafterna så extrema att stabila banor blir omöjliga. När du når denna region kan du inte förbli i lugn bana. Du har bara två val: om du har raketer eller någon annan energikälla, kan du driva dig bort till säkerhet. Men om du är en olycklig bit av gas, är du dömd att falla fritt mot den väntande mörka mardrömmen nedan.

Denna gräns, den innersta stabila cirkulära banan (eller ISCO för älskare av astronomisk jargon), är en fast förutsägelse av Einsteins allmänna relativitetsteori, samma teori som förutsäger existensen av svarta hål i första hand.

Relaterad: Åtta sätt du kan se Einsteins relativitetsteori i verkliga livet

Trots den allmänna relativitetens framgång i att förutsäga och förklara fenomen över hela universum, och vår säkra kunskap om att svarta hål är verkliga, har vi aldrig kunnat verifiera ISCO: s existens och huruvida det överensstämmer med förutsägelserna om allmän relativitet..

Men gasen som faller till sin undergång kan ge oss ett sätt att verifiera denna existens.

Dansljus

Ett team av astronomer publicerade nyligen en artikel i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, som också laddades upp till preprint-tidskriften arXiv som beskrev hur man kan dra nytta av det döende ljuset för att studera ISCO. Deras teknik bygger på ett astronomiskt trick som kallas efterklangskartläggning, som utnyttjar det faktum att olika regioner runt det svarta hålet tänds på olika sätt.

Relaterad: Var leder svarta hål?

När gas flödar från ackretionsskivan, förbi ISCO - den innersta delen av ackretionsskivan - och in i det svarta hålet, blir det så varmt att det avger ett brett skår av röntgenstrålning med hög energi. Det röntgenljuset lyser i alla riktningar bort från det svarta hålet. Vi kan se detta utsläpp hela vägen från jorden, men detaljerna i ackretionsskivstrukturen går vilse i röntgens glans. (Att förstå mer om ackretionsdisken hjälper astrofysiker också att ta hand om ISCO.)

Samma röntgenbelysning lyser också upp regioner långt utanför ackretionsskivan, regioner som domineras av klumpar av kall gas. Den kalla gasen aktiveras av röntgenstrålarna och börjar avge sitt eget ljus, i en process som kallas fluorescens. Vi kan också upptäcka detta utsläpp, separat från röntgenstrålningen som kommer från regionerna närmast det svarta hålet.

Det tar tid för ljus att resa utåt från ISCO och yttre delen av tillslutningsskivan till den kalla gasen; om vi tittar noggrant kan vi först observera de centrala regionerna (ISCO och de innersta delarna av ackretionsskivan) blossa, kort därefter följt av "efterklang" -belysningen av skikten utanför ISCO och den omedelbart omgivande ackretionsskivan.

Tidpunkten och detaljerna för det efterklädda ljuset beror på strukturen på ackretionsskivan, som astronomer tidigare har använt för att uppskatta massan av svarta hål. I den senaste studien använde forskare sofistikerade datasimuleringar för att se hur rörelsen av gas inom ISCO - hur gasen dör när den äntligen faller mot händelseshorisonten för svarta hål - påverkar utsläppet av röntgenstrålar både i närheten och i det yttre gas.

De fann att även om vi för närvarande inte har känsligheten för att mäta den dömda gasen, borde nästa generation röntgen-teleskop kunna göra det, vilket gör att vi kan bekräfta existensen av ICSO och testa om den stämmer överens med allmänna förutsägelser relativitet, i kanske de mest gravitationellt extrema regionerna i hela universumet.

• De 12 konstigaste föremålen i universum
• Från Big Bang till nuvarande: Snapshots av vårt universum genom tiden
• Stephen Hawkings mest långtgående idéer om svarta hål

Ursprungligen publicerad den . 

ERBJUDANDE: Spara 45% på "Hur det fungerar" Allt om rymden "och" Allt om historia "!

Under en begränsad tid kan du ta ut en digital prenumeration på någon av våra bästsäljande vetenskapsmagasiner för bara 2,38 dollar per månad, eller 45% rabatt på standardpriset för de första tre månaderna.